Диссертация (Система автоматического управления посадочным маневром беспилотного летательного аппарата при действии бокового ветра), страница 10

Для w = 6м/с было получено zзад = 19.6м, зад= 8.6, tпер = 6с. Нарисунке 5.5, а представлено изменение бокового отклонения z в зависимости отвремени. На рисунке 5.5,б представлена зависимость угла курса psi (кривая 1), атакже угла пути psi_V (кривая 2) от времени.На представленных графиках можно увидеть, что несмотря на то, что вконтрольное время t = 19с значения угла курса и пути близки к нулю, однакозначение бокового отклонения в это же время равно 1.3м. Данный результатможно улучшить, добавив поправки, учитывающие перекрестные связи междуканалами крена и рысканья на участке A2.72абРисунок 5.5, а – Боковое отклонение от линии ВПП, м, б – Курсовой (1) и путевой(2) угол при совершении бокового маневра, град5.2.

Моделирование с учетом перекрестных связейРезультаты моделирования для данного случая представлены на рисунке5.6. Здесь новые законы управления для участка A2 с учетом поправок выглядятследующим образом:ý ýë  K   K xx  K z z  KVzVz  Kψý ψ + K ωyωy ,ðí ðí  K  K y y  K    K ðí ψ + K ωxωx ,где Kэ = –10; Kyэ = 16; Kрн = 5; Kxрн = 5.Можно заметить, что при учете поправок при t = 19с угол курса совпадает суглом пути, при этом они равны нулю, а также равно нулю боковое отклонение.Далее к боковому движению было добавлено продольное, реализующееснижение самолета до высоты Hв = 12м по глиссаде с наклоном 3, а начиная сHв = 12м – по траектории выравнивания с наклоном 2. При этом законуправления рулем высоты выглядит следующим образом:73 ðâ  K H  H 0  Vt   K H  H  H çàä   K  K zz ,где H0 – начальная высота на текущем этапе маневра по высоте, θ – уголнаклона траектории, H – вертикальная скорость,H çàä– заданная скоростьснижения, равная 2м/c на первом этапе и 1.33м/с на втором этапе,  – значениеугла тангажа, z – угловая скорость по тангажу.,ма, градб, градв, м/сгРисунок 5.6, а – боковое отклонение от линии ВПП, м, б –угол курса (1) и уголпути (2), град, в – угол крена, град, г – боковая скорость, м/с74Параметры,найденныеметодоманалитическогоконструированияоптимальных регуляторов, принимают следующие значения:K H  0; K H  160; K  20; K z  4520.При совместном управлении боковым и продольным движением, былоотмечено незначительное ухудшение результатов бокового маневра (см.

таблицу5.1), что говорит о влиянии продольного канала на боковой.Таблица 5.1 – Данные конечного состояния координат БЛА в точке приземленияz (t = 15c)Движение в боковомканале без снижения повысоте0.08 м (t = 15c)0,060.26 (t = 15c)0,0090.1Движение в боковомканале при снижении-0.89 мЧтобы устранить данное влияние, на участке A2 была добавленакоординация бокового и продольного каналов:ý ýë  K   K xx  K z z  KVzVz  Kψýψ + Kωyωy + K Hý H , ðí  K  K y y  K    Kðí  Kðíx  x  K Hðí H ,гдеK Hý  0.6; K Hðí  0.5.Переключения между режимами было решено осуществлять по достиженииопределенных значений высоты, вычисляемых по следующим формулам:H3 = Hв = 12м; H2 = H3 + wVθ,где H2 – высота переключения с законов управления участка A1 на участокА2, H3 – высота переключения с законов управления участка A2 на участок А3.Окончательные результаты с учетом всех поправок показывают, что при w= 6м/с и t = 19c все параметры близки к нулю, что может позволить совершитьбезопасную посадку, при которой шасси не будут подвергаться чрезмернымнагрузкам.Рассмотрим результаты моделирования для различных значений скоростибокового ветра.75а) Результаты моделирования полета БЛА при w = 6 м/сГрафики изменения контрольных параметров показаны на рисунке 5.7.Начальные условия были получены следующие: zзад = 19.6м, зад = 8.6, H2 =24.5м, H0 = 35м.,ма, градб, градв,мгРисунок 5.7 – Результаты моделирования при w = 6м/с, а – графикизменения бокового отклонения z от центра ВПП, м, б – график изменениябоковой скорости БЛА, м/с, в – графики изменения углов курса (1) и пути (2),град, г–график изменения высоты полета, м.76Получили при t = 19.2c:z = 0.088м;Vz = -0,007м/с; = 0.062; = 0.009;  = -0.21; H = 0.04м.б) Результаты моделирования полета БЛА при w = 8 м/сГрафики изменения контрольных параметров показаны на рисунке 5.8.,ма, градб, градв,мгРисунок 5.8 – Результаты моделирования при w = 8м/с, а – графикизменения бокового отклонения z от центра ВПП, м, б – график изменениябоковой скорости БЛА, м/с, в – графики изменения углов пути и курса,град, г – график изменения высоты полета, м77Для данного значения скорости ветра были получены следующие начальныеусловия: zзад = 28.9м, зад = 11.46, H2 = 28.75м.

Кроме того, была выбрананачальная высота H0 = 40м, так как для борьбы с более сильным ветром маневрнужно начинать на большей высоте. При t = 21.6c получили следующие значения:z (t = 21.6c)= 0.02м; Vz (t = 21.6c) = 0.037м/с;  (t = 21.6c) = 0.13; (t = 21.6c) = -0.045;  (t = 21.6c) = -0.29; H (t = 21.6c) = 0.05м.Таким образом, можно заметить, что изменяя начальные значения zзад, зад,H0 и H2, можно добиться удовлетворительных показателей боковой скорости припосадке для различных значений бокового ветра.5.3. Моделирование с учетом бокового и встречного ветраКак правило, в реальных условиях редко встречаются случаи, когдасуществует только боковая составляющая ветра.

К ней очень часто добавляется ипродольная составляющая, которая изменяет подъемную силу, что нарушаетравновесие сил, действующих на ЛА, вследствие чего изменяется траекторияполета. Обычно самолет совершает посадку против ветра, поэтому для проверкиработы алгоритма в условиях, более приближенных к реальным, было проведеномоделирование с учетом не только боковой, но и встречной составляющей ветра.Его результаты при боковом ветре wб = 6м/с и встречном ветре wв = 6м/спредставлены на рисунке 5.9.При наличии встречного ветра ЛА начинает лететь выше заданнойтраектории,врезультатечеготочкаприземленияоказываетсядальшезапланированной: без встречного ветра общее время полета составляет 19.2с, апри его наличии – 20с. Меняется также и время переключения между участками:5.6с и 11.5с вместо 5с и 11с соответственно. В конечном итоге получается, что вмомент обнуления высоты углы курса и пути близки к нулю, но при этом боковоеотклонение равно 1.8м: налицо ухудшение результатов.

Тем не менее, так какдопустимое боковое отклонение в момент касания земли было принято равным3м, можно сказать, что предлагаемый алгоритм, даже при наличии существенного78встречного ветра, позволяет совершить безопасную посадку. Кроме того,конечный результат можно улучшить путем введения координации междупродольным и боковым каналами.,мt, cа, градt, cб, градt, cв,мt, cгРисунок 5.9 – Результаты моделирования при наличии бокового и встречноговетра, а – график изменения бокового отклонения z от центра ВПП, м, б - графикизменения боковой скорости БЛА, м/с, в – графики изменения углов пути и курса,град, г - график изменения высоты полета, м795.4.

Моделирование с учетом турбулентности ветраДля анализа поведения БЛА при воздействии турбулентной атмосферы,можно использовать одну из часто используемых при исследованиях моделейтурбулентности – модель Драйдена. Согласно данной модели спектральнаяплотность порывов ветра определяется по формуле: L 1 3V 2 LS w     w,    L 2  21     V  2где L – масштаб турбулентности, причем при высоте полета H < 300м L = H,а при H > 300м: L 300300; V – скорость полета в м/с; σw – среднеквадратическоеHзначение скорости вертикального ветра в м/с. Значение σw = 1 – 2м/ссоответствует интенсивной турбулентности, в σw = 3м/с и выше – турбулентностив грозовых условиях.Мы принимаем, что боковой маневр БЛА совершает на высоте H не более40м, поэтому пусть L = H = 40; V = 40 м/с, отсюда ω = 1 сек -1, что соответствуетпостоянной времени T апериодического фильтра, формирующего из белого шумаслучайную составляющую ветра, равной 1 с.

Добавив данную случайнуюсоставляющую к постоянному ветру w = 8м/с, можно получить упрощеннуюмодель изменения ветрового возмущения, график которого представлен нарисунке 5.10., м/сt, cРисунок 5.10 – График изменения скорости бокового ветра80Сравнение конечных результатов моделирования при наличии и отсутствиислучайной составляющей ветра показано в таблице 5.2.Таблица 5.2 – Сравнение конечных значений параметров посадочного маневрапри отсутствии и наличии турбулентной составляющей бокового ветраПостоянный ветерТурбулентностьzк0.02м0.82мк0.130.16к-0.045-0.21В связи с тем, что необходимые значения для бокового отклонения, угловыхкоординат и высот переключения между участками зависят от скорости боковоговетра, которая не является постоянной, данные параметры участков такженачинают изменяться, в результате чего полученный посадочный маневроказывается несколько иным, нежели при постоянном ветре. Тем не менее, каквидноизтаблицы,конечныерезультатыпо-прежнемуудовлетворяюттребованиям, наложенным на значения данных координат в точке приземления.Послеэтогобылопроведеномоделирование,котороеучитывалотурбулентность и у боковой, и у вертикальной, и у продольной составляющейветра, результаты которого для постоянной составляющей бокового ветра wбок пост= 8м/с и различных амплитуд случайной составляющей можно увидеть всравнительной таблице 5.3.Таблица 5.3 – Сравнение результатов моделирования при наличии всехсоставляющих ветра при wбок пост = 8м/сМаксимальная амплитудатурбулентнойсоставляющейzк2м/с3м/с4м/с1.07м1.47м2.1мк0.21°0.45°0.75°к-0.35°-0.45°-0.58°81Как можно заметить, при максимальной амплитуде турбулентности, равной3м/с конечная разность путевого и курсового углов находится на границетребуемого конечного значения |к – к |max = 1°, то есть условно можно сказать,что посадка прошла успешно.

При амплитуде 4м/с удалось выйти за пределыдопустимых ограничений по разнице между курсовым и путевым углами: аданном случае |к – к| = 1.33°. Графики для данного неудачного случаяпредставлены на рисунке 5.11.,мt, c, град, м/с,мt, ct, ct, cРисунок 5.11 – Результаты моделирования для wбок пост = 8м/с и Aтурб = 4м/сКроме того, в некоторых случаях, например, при грозе, помимогоризонтальных составляющих ветра при посадке может возникнуть порыв82вертикального ветра, воздействие которого может привести к тому, что самолетприземлится не в расчетной точке, а с некоторым отклонением от нее.

Это связанос тем, что при полете в нисходящем или восходящем потоке, воздух ударяет вкрыло ЛА под некоторым углом к горизонтальной плоскости, который зависит ототносительных величин воздушной скорости и вертикальной составляющей ветра(нисходящего или восходящего потока). То есть угол атаки изменяется безкакого-либо изменения положения по тангажу. Нисходящий поток вызываеткратковременное уменьшение угла атаки, что в свою очередь приводит куменьшению коэффициента подъемной силы и нарушает равновесие сил,действующихнавоздушноесудно,темсамымвызываяпоявлениерезультирующей силы, действующей книзу от заданной траектории полета.

Инесмотря на то, что благодаря продольной устойчивости ЛА равновесиевосстанавливается, воздушное судно будет лететь уже по новой траектории [38].Это может быть опасно, так как ЛА может не успеть завершить маневр поликвидации бокового смещения. Поэтому было проведено новое моделирование,учитывающее помимо турбулентности всех составляющих ветра еще и случайныевертикальные порывы ветра различной амплитуды и различным среднимвременем между порывами.Сравнениенекоторыхрезультатовмоделированиядляразличныхвозмущений в вертикальном канале, wбок пост = 8м/с, Aтурб = 2м/с представлено втаблице 5.3.Таблица 5.3 – Сравнение результатов моделирования при наличии вертикальныхпорывовzкwпорыва =4м/с,t ср = 10с,2 нисх.порыва-1.06мwпорыва =4м/с,t ср = 10с,2 восх.порыва1.74мwпорыва =4м/с,t ср = 5с,нисх.